基于百度试验法的5年生与17年生大花序桉木材干燥特性对比研究

兰 俊，何东宸，李卫发，韦鹏练，吴满芬，符韵林

（1.广西壮族自治区国有东门林场，广西扶绥 532108；2.广西大学 林学院，广西南宁 530004）

大花序桉（Eucalyptus cloeziana）又名昆士兰桉，系桃金娘科（Myrtaceae）伞房属树种，自然分布于澳大利亚，生长迅速，树干通直，树高17 ～40 m，天然林中可达45 m[1]。大花序桉木材呈黄褐色，硬度高，耐久性好，为建筑、室内装修和家具等的优良木材[2]，有“澳洲花梨”之称。桉树作为人工速生丰产林树种之一，在广西发展较快，但种植品种较单一，且多用作纸浆材[3]。大花序桉因其木材性能优良，有较大的实木利用前景，是广西发展桉树实木利用的主要树种。为更好地对大花序桉的木材进行开发与利用，需要对其木材干燥特性进行研究，解决干燥中可能存在的问题。目前，周桥芳等[4]和刘媛等[5]分别对25年生和26年生大花序桉木材的干燥特性进行了研究，初步拟定其干燥基准。我国引进大花序桉的时间较长，大花序桉树龄跨度大，不同树龄间木材性质有差别，其木材的干燥特性也可能发生改变。为了解大花序桉木材干燥特性随生长林龄的发展变化，本研究对5年生和17年生大花序桉木材的干燥特性进行对比研究与分析，以期为大花序桉木材的干燥和加工提供数据支持，促进大花序桉木材的开发与利用。

1 材料与方法

1．1 试验材料

5年生和17年生大花序桉均采自广西国有东门林场，其中5年生采自华侨分场24 林班（107°87′E，22°34′N），17年生采自雷卡分场12 林班（107°93′E，22°38′N）。5年生采伐8株，样木胸径为6．1 ～25．4 cm，树高为13．4 ～18．8 m；17年生采伐9 株，样木胸径为14．0 ～37．5 cm，树高为16．3 ～34．7 m。干燥特性试验所用试件取自样木0．3 ～1．3 m 处的木段，木段加工成200 mm（L）×100 mm（W）×20 mm（H）的标准试件，四面刨光，从中选取无可见缺陷的弦切板6块，径切板和中心板各2 块，每个林龄段取10 块，总计20块试件。为保证试样具有代表性，试验所用试件均来自不同植株，其中弦切板用来评判木材干燥特性等级，径切板和中心板用于对比。

1．2 试验方法

试验按百度试验法进行[4-5]。干燥前在各试件上标记测量点，采用游标卡尺测量试件的实际尺寸（精确至0．1 mm）；采用电子天平对试件进行称重（精确至0．1 g）。

将测量和称重后的试件置于干燥箱中，在（100 ± 2）℃的条件下进行干燥。观察干燥过程中试件初期的端裂和表面开裂情况。试验初期每0．5 h 观测1 次；两次后转入每1 h 观测1 次；8 h 后转入每2 h观测1次；当裂缝开始愈合时，每6 h观测1次。观测的同时，称重并记录试件水分变化情况。

待测得两次重量基本不变时，干燥试验停止。对试件进行称重，测量后期变形情况。在沿长度方向的中央锯取15 mm 宽的含水率试片，测定试件最终含水率，并在新截断面检查内裂状况。

1．3 数据处理

干燥过程中试样含水率计算公式为：

式中，试样全干重（g）是根据干燥结束后测定的试样中央15 mm宽含水率试片的含水率进行推算得出，推算公式为：

采用Excel 软件对所有试样干燥过程中的含水率进行计算，取平均值，并计算试样平均含水率由30%降至5%所需的时间。

2 结果与分析

2．1 大花序桉木材干燥缺陷等级评定

根据干燥试验记录的试件开裂和变形数据，参照相关文献[6-9]确定5年生和17年生木材干燥缺陷的等级。主要考察的指标有初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形（表1）。5年生木材初期开裂、内裂、截面变形和扭曲变形对应的缺陷等级分别为3、1、2 和5 级；17年生木材分别为3、2、4 和4 级。17年生木材干燥缺陷的等级比5年生木材稍高。

表1 5年生和7年生木材干燥缺陷等级Tab.1 Defect grade of 5-year-old and 17-year-old woods

2．2 大花序桉木材干燥特性

2．2．1 初期开裂

大花序桉木材的初期开裂主要为端裂、端表裂和表裂，17年生试件部分出现贯通裂（表1）。首次观察时，两个林龄的木材均未出现裂纹。1 h 后，5年生试件无裂纹出现，初期开裂等级为1 级；17年生试件中，有1 块出现端表裂，裂纹数量2 条，裂纹长度最长为42 mm，初期开裂等级为2 级。6 ～7 h，初期开裂发展到最大，此时5年生和17年生试件的含水率分别为34% ～38%和34% ～36%；5年生试件的裂纹最长为61 mm，最宽为0．65 mm，缺陷等级为3 级；17年生试件的裂纹最长为75 mm，最宽为1．15 mm，缺陷等级为3 级。17年生木材初期开裂的裂纹数量和裂纹长度均比5年生木材严重。

2．2．2 内裂

内裂主要是由干燥引起的表面硬化和干燥应力导致的，常发生在干燥后期，较为严重的表裂会向内部延伸引起内裂[7]。5年生试件中，有2 块弦切板产生内裂，裂纹数量不多，最长3．8 mm，最宽1 mm，等级为1级；17年生试件中，有3块弦切板产生内裂，裂纹数量也不多，裂纹最长15．5 mm，最宽1．25 mm，等级为2级（表1）。17年生木材内部开裂情况较严重。

2．2．3 截面变形

5年生试件的截面变形值为0．31 ～0．71 mm，均值为0．56 mm，等级为2 级；17年生试件的截面变形值为0．34 ～2．25 mm，均值为1．38 mm，等级为4 级（表1）。17年生木材的截面变形情况较严重。

2．2．4 扭曲变形

5年生试件的扭曲值为0．5 ～15．0 mm，均值为6．88 mm，等级为5 级；17年生试件的扭曲值为1．75 ～7．00 mm，均值为4．29 mm，等级为4级（表1）。5年生木材的扭曲值较大，扭曲变形情况较严重。

2．2．5 干燥速度

经计算，5年生试件最初平均含水率为93．10%，全程干燥总时间为84 h，平均干燥速度为1．108%/h，各试件含水率由30%降至5%平均所需时间约为13．69 h，干燥速度较快，评为2 级（图1，表2）。17年生试件最初平均含水率为60．75%，全程干燥总时间为96 h，平均干燥速度为0．633%/h，各试件含水率由30%降至5%平均所需时间约为33．94 h，干燥速度较慢，评为5级。

图1 5年生与17年生木材含水率变化曲线Fig.1 Moisture change of 5-year-old and 17-year-old woods

表2 5年生和17年生木材百度试验干燥速度Tab.2 Drying rates of 5-year-old and 17-year-old woods in 100 ℃test method

2．2．6 干缩特性

根据干燥前后试件尺寸和水分的变化，可计算得出木材的干缩率及干缩系数。两个林龄大花序桉木材的弦向、径向和体积干缩率均较大（表3）。根据干缩系数，可将木材干缩性分成甚低（＜0．300%）、低（0．301% ～0．400%）、中（0．401% ～0．500%）、高（0．501%～0．600%）和甚高（＞0．601%）5个等级[10]。5年生木材的干缩系数为高，17年生木材的干缩系数为甚高。17年生木材的干缩率和干缩系数均高于5年生，说明17年生木材在干燥时收缩得更大。弦向干缩与径向干缩的比值称为差异干缩；如弦向与径向的干缩一致，则两者的比值为1；如不一致，则两者的比值不等于1，且差异越大，数值偏离1越远。差异干缩可反映木材开裂的难易程度[11-12]。5年生和17年生木材的差异干缩均小于1，与26年生大花序桉的结果类似[5]，这可能是由于计算差异干缩时所使用的弦向与径向尺寸不一致[13]。17年生木材的差异干缩为0．76，较5年生（0．85）偏离1更远，说明17年生木材在弦向和径向上的干缩差异更大，干燥时更容易开裂。

表3 5年生和17年生木材干缩特性Tab.3 Drying shrinkage of 5-year-old and 17-year-old woods

2．3 大花序桉木材干燥基准

参照百度试验法[14]中与干燥缺陷等级相对应的干燥条件，确定两个林龄段木材的干燥初期温度、初期干湿球温度差和末期温度（表4）。截面变形是大花序桉木材干燥的主要缺陷。为了尽可能减少干燥缺陷的产生，选取各温度和干湿球温度差最低条件作为确定大花序桉木材干燥基准的初步条件。

表4 5年生和17年生木材干燥初步条件Tab.4 Preliminary drying conditions of 5-year-old and17-year-old woods

在对大花序桉木材进行干燥时，可在前期适度升温，中期的升温幅度和干湿球温度差可适当加大，以提高干燥效率；末期温度应适当调低，防止扭曲变形的发生。

5年大花序桉木材干燥基准的初步条件为初期温度60 ℃，初期干湿球温度差3 ～7 ℃，末期温度90 ℃；17年大花序桉木材干燥基准的初步条件为初期温度50 ℃，初期干湿球温度差2 ～4 ℃，末期温度75 ℃。参照含水率与干湿球温度差关系表，得出5年生和17年生大花序桉木材干燥基准（表5）。

表5 5年生和17年生木材（25 ～30 mm）干燥基准Tab.5 Drying procedures for 5-year-old and 17-year-old woods（25 ～30 mm）

3 结论与讨论

干燥是木材加工中至关重要的一环，干燥质量是影响木材利用率和经济效益的重要因素。干燥质量很大程度上取决于干燥工艺，就常规窑干工艺而言，其根本在于干燥基准的选择和执行。一个好的、成熟的干燥基准，通常需要反复地试验和摸索，并通过生产进行检验和调整。在不熟悉木材干燥特性的情况下，这样的试验和探索将是一个比较费时费力的过程。因此，测定木材的干燥特性对于制定合理的干燥基准，提高干燥基准的制定效率是非常必要的。

干燥特性包括干燥速度和干燥缺陷。干燥速度反映木材排除水分的难易程度，与木材解剖构造有很大关系。本研究的对象为同一树种，基本的解剖构造差异不大。从试验结果来看，5年生大花序桉木材的含水率由30%降至5%平均所需时间为13．69 h，明显小于17年生（33．94 h），表明5年生木材水分容易排除（干燥速度等级为2级）。17年生大花序桉木材的干燥速度等级达到5 级，与25年生[4]和26年生[5]的干燥速度等级相同，可能是心材物质的累积堵塞部分导管腔及纹孔，导致水分排除困难。说明幼林龄的大花序桉木材干燥速度较快，当树木生长到一定年限后，木材干燥速度明显变慢，难以干燥。水分排除容易的木材相对来说干燥缺陷也会小一些。从干燥缺陷等级来看，5年生大花序桉木材的内裂等级和17年生、25年生[4]和26年生[5]木材没有区别，内部开裂趋势随树龄增加发生明显变化；初期开裂等级与17年生木材相同，均比25年生[4]和26年生[5]木材低1 级；截面变形较17年生木材低；扭曲变形比17年生和26年生[5]木材严重。虽然幼林龄大花序桉木材的干燥速度较快，但扭曲变形严重，可能与木材早期快速生长积累的生长应力较大有关，在干燥幼林龄大花序桉木材时需要预防扭曲缺陷的产生。对比4个林龄段大花序桉木材的干燥特性，随着树龄的增加，木材的干燥速度下降，初期开裂有增大趋势，干燥困难。因此，在干燥生长年限高于5年生的大花序桉木材时，需采用更柔和的干燥基准，以保证干燥质量。